Калинин В.М. Экологическая гидрология
Подождите немного. Документ загружается.
110
концентрации тяжелых металлов, биогенных элементов, пестицидов
резко возрастают. Это ухудшение тем существенней, чем сильнее
проявления антропогенных нарушений водосборной территории.
Особую опасность во время наводнений представляют аварийные
разливы токсичных химических веществ, нефт и и нефтепродуктов при
нарушении трубопроводов и резервуаров. При этом количество
веществ, попадающих в водные объекты, достигает многих сотен ПДК.
В результате образуются потоки загрязненных вод, отличающихся
исключительно нестационарным гидрохимическим режимом, который
трудно поддается контролю.
Наводнения оказывают существенное влияние на почвы, их
свойства и уровень плодородия. Гидрологические последствия
наводнений носят как позитивный, так и негативный характер и
отчетливо проявляются на территориях речных пойм.
Небольшие по интенсивности наводнения, наблюдающиеся во
время весеннего снеготаяния на равнинных реках, при оптимальных
сроках затопления, небольших скоростях прохода полых вод и
определенной мощности аллювиальных наносов в пойме и первых
террасах положительно влияет на почвы и сопредельные компоненты
природных ландшафтов. К положительным следствиям таких
наводнений относятся: выравнивание рельефа поймы, обогащение
почв плодородными пылевато -илловатыми частицами и органическими
остатками, удаление легкорастворимых солей, насыщение почв
пресной водой, гибель сорных растений и вредителей
сельскохозяйственных культур.
Плодородие пойменных почв возрастает, если продолжительность
стояния воды не превышает 20 -25 дней, а мощность отложений
колеблется в пределах 0,1-0,7 см. Как правило, аллювиальные
отложения небольшой мощности характеризуются повышенным
содержанием мелких фракций, благоприятными минералогическим и
химическими свойствами, значительными запасами биогенных
элементов.
Максимальная толщина отложений характерна для прирусловой
полосы узких пойм. Аллювиальные отложения большой мощности
часто состоят из песчаных частиц, бедных питательными веществами.
Пойменные почвы, гумусовые горизонты которых оказываются погре -
бенными под мощным слоем песка, теряют значительную часть своего
плодородия.
Катастрофические наводнения негативно влияют на пойменные
ландшафты. Такие наводнения, прежде всего, сопровождаются водной
111
эрозией и потерей части плодородного гумусового слоя почв. Вопрос
об оценке ущерба земель от эрозии и потерь плодородия почв в
долинах рек от наводнений до сих пор остается мало изученным.
В зависимости от степени эродированности почв (градаций
эродированности) снижаются запасы гумуса в метровой толще почв от
10 до 75-100% по сравнению с неэродированными аналогами. При
этом абсолютные величины снижения запасов гумуса колеблются в
широких пределах от 54—94 до 149-277 т/га в почвах разного
генезиса. Отмечается заметное снижение плодородия эродированных
почв и по запасам подвижных форм азота, фосфора и калия (N, Р и К).
Потери N достигают от 2,7 до 14,0 т/га, Р - до 1608 К - от 59,0 до 6353
кг/га.
Очень продолжительная поемность, превышающая 30 дней,
сопровождается развитием процессов оглеения и заболачивания, что
негативно сказывается на уровне плодородия почв.
Во время наводнений происходят активные русловые
деформации, которые могут быть как горизонтальными, изменяющими
положение рус-ла в плане, так и вертикальными, изменяющими
отметки его дна. Размывы берегов приводят к разрушению построек и
сооружений, опор линий электропередачи, мостовых переходов,
активизируют оползни и обвалы, ведут к потерям земельных угодий. С
другой стороны, могут произойти занесение и обмеление акваторий
портов, водозаборных сооружений. Такие деформации, периодические
по своему воздействию, особенно ярко проявляются при наличии
широких пойм, когда ширина поймы в 2-3 раза больше ширины русла.
Существует классификация участков рек России по опасности
проявления русловых процессов, основанная на объективных
показателях (крупность аллювия, уклон рек, строение поймы), которая
позволяет оценить устойчивость русел рек к размывам.
В процессе эволюции происходит естественный отбор растений,
приспособившихся к кратковременным паводкам в поймах рек. Хорошо
известно, что заливные луга в долинах рек отличаются наибольшей
продуктивностью. Высокоокультуренные кормовые угодья способны
дать урожай до 60 ц/га при средней продуктивности остальных
пойменных угодий до 20 ц/га.
Развитие растений на затопляемых угодьях во многом зависит от
сроков затопления полыми водами, глубины затопления, уровня
грунтовых вод, температуры полой воды и почв, мощности и состава
аллювиальных отложений, а также от видовых особенностей растений.
112
Установлено, что затопление поймы на срок 10—20 сут. не
нарушает развития луговой растительности, а в послепаводковый
период наблюдается быстрый ее рост благодаря хорошему
увлажнению почвы. При продолжительности затопления более 50 дней
может произойти угнетение роста и развития растений, часто
сопровождающееся их гибелью.
Учет степени выносливости растений помогает правильно
подобрать виды растений или их смеси для посева на пойме. Злаки
отличаются большей устойчивостью к затоплению по сравнению с
бобовыми. Если донник и люцерна нормально развиваются лишь при
кратковременной и средней продолжительности затопления, то
костер, овсяница, пырей, тимофеевка, канареечник и бекмания
хорошо переносят условия более продолжительной поемности.
При длительном увлажнении почв (период затопления до 15 -20
сут.) наибольшие урожаи и хорошие кормовые качества травосмесей
обеспечивают такие виды, как костер безостый, клевер красный, чина
луговая, мышиный горошек, клевер ползучий, лисохвост луговой,
пырей ползучий, тимофеевка луговая.
Специальных исследований, посвященных влиянию наводнений
на животный мир, не проводилось. В целом можно сказать, что
наводнения, по-видимому, благоприятно сказываются на отдельных
видах насекомых и земноводных, водоплавающих птиц и животных.
Однако для большинства животных наводнение - это бедствие.
Рис 7.1 Зависимость заготовок шкурок горностая
от уровня воды (H
max, см
) в Оби (Шахов, 2000)
113
Во время катастрофических наводнений часто гибнут дикие и
сельскохозяйственные животные. После спада воды многие животные
вынуждены мигрировать в другие районы из-за недостатка пищи, а
для сельскохозяйственных приходится закупать корма из-за потери
естественных кормовых угодий. Ухудшение качества воды в водных
объектах неблагоприятно сказывается на состоянии целых популяций
рыб, птиц и животных. Особенно опасно для животног о мира
загрязнение природных вод токсическими веществами, нефтью и
нефтепродуктами, что может привести к массовой гибели.
7.2 Расчет экстремальных уровней при наличии данных
наблюдений
При наличии данных наблюдений в виде репрезентативного ряда
наивысших (наинизших) уровней строят кривые обеспеченности
аналогично годовому (максимальному, минимальному) стоку и
определяют уровни заданной обеспеченности. При этом кривые
обеспеченности строят для фазово-однородных уровней. Это
наинизшие уровни летней и зимней межени или максимальные уровни
весеннего половодья и летне-осенних дождевых паводков. Если
ставится задача (например, при проектировании водозабора)
определить наинизшие уровни независимо от генезиса, то в каждом
году выбираются низшие уровни, фиксируемые в любое время года
при условии однородности рядов. То же относится к максимальным
уровням (Свод правил…,2004).
При наличии на реке ледовых явлений в период стояния
максимальных уровней (например, при весеннем ледоходе) строят две
кривые обеспеченности. Одну для наблюдаемых уровней, другую для
наивысших уровней при свободном состоянии русла. Эти уровни
определяют по кривой расходов воды Q=f(H). Расчет наивысших
уровней при свободном состоянии русла при однозначной связи Q=
f(H) производится при условии равной обеспеченности максимальных
уровней и расходов. Для каждого гидрометрического створа, где
измеряют уровни и расходы воды , строят зависимость Q=f(H) (рис
7.2).
Эта зависимость нужна для определения ежедневных расходов
воды. Дело в том, что расходы воды измеряют не каждый день, а раз
в десять дней. Уровень же воды измеряют ежедневно. Построив такую
связь Q=f(H) и зная ежедневный уровень, можно по этой кривой
определить ежедневные расходы.
114
Перенос расчетных наивысших уровней с одного пункта в друг ой
при свободном состоянии русла в зависимости от наличия
данных
Рис. 7.2 Кривая расходов воды
гидрометрических наблюдений может производиться следующими
методами:
- по кривым расходов;
- по кривым связи соответственных уровней;
- по уклону водной поверхности.
Перенос уровней по кривым расходов Q=f(H) возможен на
бесприточном участие одной и той же реки при условии, что расход
считается одинаковым на этом участке. Необходимо иметь опорный
створ с длительным периодом наблюдений. Для этого створа строят
кривую Q=f(H). В расчетном створе проводят краткосрочные
наблюдения, по ним так же строят кривую Q=f(H) в той же системе
отметок, что и на основном створе. Получают две кривые (рис 7.3). По
расходам заданной обеспеченности определяют расчетный уровень в
расчетном створе:
Перенос по кривым связи соответственных уровней
осуществляется, если параллельными наблюдениями (на основном
посту и расчетном посту) охвачено не менее 80 % амплитуды
многолетнего колебания уровней. Кривые связи строят по
115
характерным соответственным уровням и ежегодным значением
высших (низших) уровней (рис 7.4, 7.5).
Рис 7.3 Перенос уровней по кривым расходов
Рис 7.4 Соответственные уровни воды
116
Колебания уровней на двух постах, расположенных на одной реке
на небольшом расстоянии друг от друга, обнаруживают явное
подобие в общих очертаниях и в особенности расположения
характерных точек (гребни паводков, низкие уровни). Такие уровни
двух постов, соответствующие однородным фазам, называются
соответственными уровнями. Соответственные уровни сдвинуты
относительно друг друга на величину времени добегания воды τ от
верхнего поста к нижнему. Зная уровень на верхнем посту, всегда
можно определить его на нижнем.
Перенос уровня по уклону водной поверхности производится с
учетом его изменений при изменении уровня воды, т.е. имеется в
виду, что уклон меняется при изменении уровня. Расстояние, на
которое можно переносить уровень зависит от морфометрических
характеристик русла и поймы. Уклон измеряется в промилле ( ‰). Это
означает падение отметок местности в метрах на километр. Тогда,
зная уклон, допустим i=2,3 ‰ и расстояние от основного створа
Рис. 7.5 График связи соответственных уровней
вниз по течению, например 5 км, мы можем сказать, что
абсолютная отметка уровня в расчетном створе будет ниже на 2,3 x 5
= 11,5 м. Разновидностью способа является перенос отметки по
продольному профилю водной поверхности. В этом случае
необходимо иметь два поста, на которых есть ряды наблюдений за
117
уровнями, а расчетный створ находится между ними. Приняв условие,
что продольный профиль водной поверхности между постами имеет
постоянное падение, можно определить уровень в расчетн ом створе.
Перенос на другие створы расчетных уровней воды в период
ледохода при отсутствии заторов производится по графикам связи
соответственных уровней или по кривым расходов Q=f(H) с учетом
Кзим.
Кзим
Qр
Q
p
%
%
Кзим. – определяется по данным наблюдений в основном створе.
Поясним, что такое Кзим. Зимой в период ледостава и вообще при
ледовых явлениях при одном и том же уровне расходы будут меньше,
чем летом при открытом русле. Иначе говоря, при одном и том же
уровне зимой меньше, чем летом (рис 7.6). Поэтому на кривой связи
Q=f(H), точки зимних расходов лежат выше. Отношение зимних и
летних (снятых с кривой Q=f(H)) расходов и дает Кзим.
Рис 7.6 Кривые расходов для периода ледостава
и свободного русла
118
лет
Q
зим
Q
зим
K
Перенос уровней при заторах осуществляется на расстояние не
более 3 км на малых и средних реках и до 10 км на больших реках по
уклону водной поверхности. На большие расстояния перенос
производится при наличии данных о продольном профиле водной
поверхности (т.е. надо проводить гидрологические изыскания).
Определение уровня на озерах при наличии данных наблюдени й
аналогично рекам. На озерах засушливой зоны, где наблюдаются
длительные циклические колебания уровня, необходимо выполнить
специальные исследования по морфометрии котловины по архивным
материалам.
Перенос наивысших уровней воды озер от опорного
гидрологического поста к другим постам производится по графикам
связи уровней с учетом волнения и ветрового нагона.
7.3 Расчет экстремальных уровней при отсутствии данных
наблюдений
При отсутствии данных наблюдений наивысшие уровни
определяются по кривой связи Q=f(H), которая строится или по
данным измеренных расходов и уровней при изысканиях, или по
уравнению Шези (7.1) с учетом меток высоких вод, морфометрических
и гидравлических характеристик русла.
RicQ
, (7.1)
где: Q - расход в данном створе реки; – площадь поперечного
сечения при данном расходе; R - гидравлический радиус; i – уклон
потока в районе данного створа.
Известными методами инженерной гидрологии (например по СП
33-101-2003) определяют максимальный расход заданной
обеспеченности Qmax. Путем изысканий устанавливают поперечный
профиль русла и
строят его на миллиметровой бумаге. Зная коэффициент Шези С
(из справочников или по уравнениям Павловского, Маннинга и др.) и
уклон i назначают уровень H
1
и определяют по графику R
1
и
1
,
рассчитывают
119
Рис 7.7 Поперечный профиль речного русла в период низкого
H
1
и высокого H
2
уровня воды
значения Q
1
. Если оно совпало с рассчитанным значением Qmax
заданной обеспеченности, то расчет прекращают. Иначе повторяют с
новым значением Н
2
и т.д.
Для учета более высокого уровня при ледоходе (по сравнению с
периодом свободного русла) необходимо вводить поправку на Кзим.
Если нет гидрометрических данных, то принимают следующие
значения Кзим:
малые и средние реки Кзим = 0,8 – 0,9;
большие реки Кзим = 0,91- 0,95.
Для озер расчетные уровни воды определяются на основании
примерных профилей, которые выполняются при полевых изысканиях.
Получают объем котловины при различных уровнях W=f(H).
Начальный предпаводочный уровень определяют при полевых
гидрологических изысканиях. Во время половодья известными
методами определяют приток в озеро W и по кривой W=f(H)
определяют уровень Нmax p%.